prof. emer. dr.-ing. dr. h.c. lothar w. meyer (früher ... · prof. emer. dr.-ing. dr. h.c. lothar...

LehrstuhlWerkstoffe desMaschinenbaus

NM

NORDMETALLResearch and Consulting

Kemtau

Ein- und mehrachsiges Werkstoffverhalten bei hohen

Verformungsgeschwindigkeiten von Metallen

Prof. emer. Dr.-Ing. Dr. h.c. Lothar W. Meyer

(Früher : Leiter der Professur

Werkstoffe des Maschinenbaus,

Technische Universität Chemnitz)

jetzt:

Geschäftsführender Gesellschafter der

Fa. Nordmetall GmbH

Hauptstr. 16

09221 Adorf ,Gemeinde NeukirchenTel: 0371 – 503490-20 email: [email protected]

Fax: 0371 – 50349011

LS- Dyna Update Forum 2009, 12.11.09


NM


Kemtau

Nordmetall GmbHNordmetall GmbH

Hauptstraße 16

09221 Adorf Gemeinde Neukirchen

phone.: +49 371 503490 0

fax: +49 371 503490 11

web: http://www.nordmetall.net

email: [email protected]

Unser neues Gebäude in ADORF/Chemnitz


NM


Kemtau

Allgemeines – übNNordNOmeter die Firma Nordmetall

GmbH

Allgemeine Angaben:

- 1.Geschäftsführer: Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Lothar W. Meyer

- 2.Geschäftsführer: Dr.-Ing. Norman Herzig

Daten:

- derzeit 15 Mitarbeiter, Labor und Büros 1500 m2

- Umsatz 2008: mehr als 1 Mio EUR,

Geschichte der Firma Nordmetall GmbH:

1927 Gründung durch Hans Meyer: Herstellung versilberte Tafelwaren , bis

1970,

1996: 1. Neugründung der Fa. Nordmetall GbR, Kemtau

September 2003: 2. Neugründung der Nordmetall GmbH, Eibenberg

bis April 2009: Dienstsitz in der Technischen Universität Chemnitz,

Professur Werkstoffe des Maschinenbaus, Ltr Prof.Meyer

seit April 2009: vollständige Verlagerung des Dienstsitzes nach Adorf (bei

Chemnitz) und Schließung der Zweigstelle in Chemnitz,

Kernkompetenz: Hochdynamisches Werkstoffverhalten (Exp. +Mod.)

Nordmetall-Überblick


NM


Kemtau

Motivation?

Leif Erikson, der Rote Wikinger:

... Ihr kennt nur „Kenntnis“ ...

Ihr kennt nicht des Wissens heißen Trieb,

der Kenntnis erst gebiert……


NM


Kemtau

Beispiel: Durch Verstehen des Werkstoffverhaltens

zur Optimierung von Schutzaufbauten

Bedrohung steigt ständig, also

wissenschaftlich / experimentell

fundierter Ansatz der

Fa. NORDMETALL aus werkstoffkundlicher Sicht:

Neue Werkstoffe

(oder Modifikationen)

Impact-

WerkstoffverhaltenBallistische

Vorgänge(Wechselwirkung)

Verbesserter Schutz


NM


Kemtau

A) Umfangreiche experimentelle Ausrüstung für höchste Prüfgeschwindigkeiten und

hohes Erfahrungs-Potential des Labors

B) Werkstoff-Fachwissen für Hochgeschwindigkeitsumformungen

(HSC-Spanen, Schmieden, Stanzen, Blast , Penetration etc.)

C) Beschreibung des Impact-Werkstoff-Verhaltens durch

„konstitutive Gleichungen“ für FEM-Rechnungen

D) Neue Werkstoffe, Verbesserung bekannter Werkstoffe

z.B. durch thermomechanische Behandlung, ECAP

Leistungsprofil Prof. L.W. Meyer und Mitarbeiter

( Fa. NORDMETALL GmbH)

Kernkompetenzen:


NM


Kemtau

Dehngeschwindigkeit

[s-1]Anwendungsbeispiele

105 - 106 Adiabatische Sicherung (im Mikrobereich)

105 Schneidladungen, Hohlladungen, Schock

104

Sprengplattieren

Durchdringen von Panzerungen, Spanen (bei Chip-Bildung),

Kugelstrahlen, Stanzen

103 plastische Rissausbreitung

Drahtziehen, Nieten, Spanen (Fließspanen), Walzen, Schmieden

102

Fahrzeugkollisionen

Abschuss von Penetratoren, Blast von Minen

Extrudieren, Flugzeug-Fahrwerke

101 Belastung von Brücken durch schwere Fahrzeuge (LKW, Eisenbahn),

Tiefziehen großer Teile

100 Nietquetschen, Durchsetzfügen

10-1 Superplastisches Formen

Rohrbiegen

10-4 Quasistatische Werkstoffprüfung

10-5

10-6 Kriechen, Spannungsrelaxation

In der Praxis auftretende Verformungsgeschwindigkeiten


NM


KemtauImpact by canonfiring

smaxmax2E

max

t

- t


NM


Kemtau

plastic yielding

elastic behaviour

measured at a

stringer

RpeL

str

ess

[MP

a]

strain rate [s-1]

Yield stress of a ship building steel versus strain rate


NM


Kemtau

test assembly electronic measuring system

force

strain

test assembly

instrumen-

tation amplifier

storage

(digital or analog)

recorder

(digram, tape,

floppy disc)

Messprinzip bei hohen Verformungsgeschwindigkeiten


NM


Kemtau

Ermittlung von Spannungs-Dehnungs-Verläufen im Schlagzugversuch


NM


Kemtau

0

100

200

300

400

500

0 10 20 30 40 50

strain [%]

str

ess [

MP

a]

a

b

cd

e

C - steel1s8

Stress-strain traces of medium speed tensile loading

a) original load cell;

b) smoothed original load cell;

c) separate, high eigenfrequency load cell

d) UTS of precise load cell at 16 % homogeneous strain

e) UTS of original load cell at 27 % homogeneous strain

335351


NM


Kemtau

5,65

5,7

5,75

5,8

5,85

5,9

-5 -4 -3 -2 -1 0

ln wahr

ln

wah

r

n = 0,2n1 = 0,08

n2 = 0,03

ausgewertet ab

Minimum Fließgrenze


NM


Kemtau

0

40

80

120

160

200

240

280

320

360

400

440

480

520

560

600MPa

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100%

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

ms

Spannung und Dehnung über die Zeit, 200 °C, 1220 s-1


NM


Kemtau

Universal testing facilities and strain rates at Nordmetall GmbH

Belastungsart / Dehnrate [s-1] 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104 105 Temperatur [°C]

uniaxial

stress / strain

tension -190 … 1250

compression -190 … 1250

Torsion -190 … 1100

Bending -190 … RT

Shear RT

biaxial

stress / strain

servohydraulic(tension, compression + torsion, TU Chemnitz)

-190 … 400

drop weight (compression + shear) -190 … 1200

gas gun (compression + shear) RT

Drop weight – blast simulator RT

Hopkinson (tension + torsion) RT

Charpy Impact test -190 … 600

Biaxial drop weight(tension + tension by)

RT

Fracture toughness K [Nmm-2/3 s-1] -190 … 400

triaxial

gas gun – penetration simulator RT

Flyer plate (IPCP Moskau) -190 … 600

compression and hydrostatic

compression (TU Chemnitz)RT

servohydraulic (TU Chemnitz,

tension, compr. + torsion + hydrost. compr.)RT

tension + tension + tension -190 … 600


NM


Kemtau

Rotating wheel Dropweight tower

dynamic tensile and

compression testing


NM


Kemtau

component testing at

crash conditions

riveted joint of hull plating

0

100

200

300

400

500

600

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

Zeit [s]

Kra

ft

[kN

] .

0

5

10

15

20

25

30

Arb

eit

[k

J]

.

Test 1

Test 2

Test3Kraft

Arbeit

time [s]

forc

e [k

N]

en

erg

y [

kJ]force

energy0

100

200

300

400

500

600

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

Zeit [s]

Kra

ft

[kN

] .

0

5

10

15

20

25

30

Arb

eit

[k

J]

.

Test 1

Test 2

Test3Kraft

Arbeit

time [s]

forc

e [k

N]

en

erg

y [

kJ]force

energy

mass: 4 t

velocity: 5 m/s (max.)

test object: 1300 x 1300 x 800 mm

available energy: 35-40 kJ

source: Malek


NM


Kemtau

Servohydraulic Tension-Torsion-Pressure

Testing-Machine Schenck PTT250 K1

(TU Chemnitz, LWM)

Fmax = 250 kN

Axial Velocity = 0,005 … 1400 mm/s

Axial Path = +/- 50 mm

Torque = 1000 Nm

Angle = +/- 50°

Angle Velocity = 2365 °/s

Temperature = RT … 800 °C

Pressure: 0 … 1500 bar

Testing equipment


NM


Kemtau

Tlog

AlnRT

Geschwindigkeitsbestimmende Verformungsmechanismen

„athermisch“ / nicht geschwindigkeitsgesteuert

Dehngeschwindigkeit Temperatur T kombiniert ),T(f


NM


Kemtau

T

AlnRT

Geschwindigkeitsbestimmende Verformungsmechanismen

thermisch aktiviert (Temperatur und gesteuert)


NM


Kemtau

Fließspannung eines Vergütungsstahls

= f(Aktivierungsenergie G)


NM


Kemtau

)sstrukturVersetzung(tetannsMaterialko...

Temperatur...T

tetanKonsBoltzmann...k

gsenergieAktivierun...)(G

/lnkT)(G)kT/)(G(exp

0

pl00pl

Arrhenius-Gleichung:

Aktivierungsenergie G [eV]

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

0,2

-Sta

uch

gre

nze

[

MP

a]

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

1,5x102 -190°C

5x101 -190°C

1x10-1

RT

1x10-4

RT

2x102 RT

2x102 150°C

1x100 RT

2x102 80°C

2,1x103 -30°C

1,5x103 -196°C

2,1x103 -60°C

2,5x103 RT

1,5x102 -30°C

1,5x102 -60°C

1x102 -100°C

1x105 RT

1x105 -175°C

berechnet

1514 s10s10

C150TC196

m

0

0

n

0*

G lnG

Tk1

68,1m

623,0n

10

eV8,0G

MPa1408

MPa1045

80

0

*0

G

„Festigkeits-, Verformungs- und Versagensverhalten einer Ti- Legierung

in Abhängigkeit von der Temperatur, der Dehngeschwindigkeit

und dem Spannungszustand“


NM


Kemtau

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

true strain

true s

tress

M

Pa

first strike

Tstart = RT

second strike

Tstart = 210 °C1s500to200

true compression stress – true strain record with steady state

dislocation creation and compensation at high strain rate


NM


Kemtau

Ergebnisse:

Ziel: Schaffung einer experimentellen Basis zur Entwicklung von mathematischen Modellen, mit deren Hilfe das Werkstoffverhalten im gesamten interessierenden Bereich der Dehnungsgeschwindigkeitenund Temperaturen umfassend beschrieben werden soll.

Modelldaten:

Modell nach Zerilli-Armstrong

250

350 350

450 450

550 550

650 650

750 750

850 850

wa

hre

Sp

an

nu

ng

w

[MP

a]

wahre Zugspannung in Abhänigkeit vonder Dehnrate und derwahren Dehnung bei

RT, (Modell nachZA)

wahre Zugspannung in Abhänigkeit vonder Dehnrate und derwahren Dehnung bei600°C, (Modell nachZA)

300

400 400

500 500

600 600

700 700

800 800

900 900

wa

hre

Sp

an

nun

g

w

[MP

a]

C45E - 1.1191

0.0001

0.001

0.010.1

110

100

00.010.020.030.040.050.060.070.080.09

400

500 500

600 600

700 700

800 800

900 900

1000 1000

1100 1100

1000

wahre Dehnung [-]

wah

re S

pan

nu

ng

w

[MP

a]

Dehngeschwindigkeit [1/s]


600°C, (Modell nachZA)


RT, (Modell nachZA) 600

700 700

800 800

900 900

1000 1000

1100 1100

1200 1200

1300 1300

wa

hre

Sp

an

nu

ng

w

[MP

a]

40CrMnMo7- 1.2311

654

31

´

)ln

exp(

ccTc

Tcc

n

G


NM


KemtauVision

• Dehnrate

Verbesserung der numerischen Modellierung und der Simulation

des Werkstoffverhaltens metallischer Werkstoffe

bei Blechumformprozessen

Professur Werkstoffe des Maschinenbaus – Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Lothar W. Meyer 26

Beispiel – Fließortkurven von Blechwerkstoffen

100 s-1

Beispiel Fließortkurven von Blech

Zug-einachsig

0°/45°/90° zur WR

Schichtstauchversuche

equi-biaxial Zug

Miyauchi-Shear-Test

0°/90° zur WR

Druck-einachsig

0°/90° zur WR

Innovation: Druck-biaxial


NM


Kemtau

Normalspannung ax [MPa]-600 -400 -200 0 200 400 600

Sc

hu

bs

pa

nn

un

g

[M

Pa

]

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

d / dt = 0,01s-1

d / dt = 0,1s-1

d / dt = 1s-1

d / dt = 5s-1

Fließortkurve eines niedrig legierten Stahls in Abhängigkeit von

der Formänderungsgeschwindigkeit

d / dt [s-1

]

0,001 0,01 0,1 1 10

Deh

ng

ren

ze R

e [

MP

a]

400

420

440

460

480

500

520

540

560

580

Zug

Druck

Stauch- und Dehngrenzen eines niedriglegierten Stahls

in Abhängigkeit von der Verformungsgeschwindigkeit

1a

VV

axial

2

2

2

2

1)](Lnc[

a

)](Lnc[

*)b(2

1V

2

2

1V

axial

b

1

2

axial

00

2

Einfluss der Formänderungsgeschwindigkeit auf den Fließort


NM


Kemtau

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0,0001 0,01 1 100 10000

strain rate [1/s]

SD

(str

en

gth

-dif

fere

nti

al-

eff

ect)

[%

]

Material: boiler plate

Rp5

Rp10

Strength-differential-effect of boiler plate H II for 5 % - and 10 %

- flow-stresses versus strain rate


0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

true strain [-]

true s

tress k

f [M

Pa]

900°C

1000°C

1100°C

1200°C

Beispiel - Warmfließkurven aus Versuchen am Hopkinsonaufbau

unleg. Stahl

wahre Stauchung [-]

Flie

ßspannung

[MP

a]

11500~ s

Hopkinsonaufbauten

Flie

ßspannung

[MP

a]


NM


Kemtau

electric motor

clutch

rotating wheel

instrumented

Hopkinson Bar

in center of a tube

discoverable

end

mechanical bedstop

mountings

load cell for

quasistatic loads

gauge length possibility of additional

moment and force measurement

Universal-Torsion- Machine

(slow – medium – high rate, low to high temperature, low to very high strains)


NM


Kemtau


Kühlgebiet, um die mit DMS instrumentierte

Messstange nicht thermisch zu schädigen

Induktiv erwärmte Stahlprobe

Lichtschranke, zum Abschalten der Induktionsheizung

unmittelbar vor Versuchsbeginn

Gewindekupplung, beschleunigt von einem Elektromotor

Hochgeschwindigkeitstorsion

Warmtorsionsversuche bei Schergeschw. bis =102 s-1


Modellierung

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 2 4 6 8 10

Vergleichsformänderung bzw. Umformgrad [-]

Verg

leic

hsflie

ßspa

nn

un

g (

Tre

sca)

kf [

MP

a]

TA = 800°C

TA = 900°C

TA = 1000°C

TA = 1100°C

TA = 1200°C

180s

warmfester Stahl

Torsionsfließkurven und WerkstoffmodellierungEmpirisches Materialmodell nach Spittel u. Spittel [Spittel, T.; Spittel, M.: Möglichkeiten und Grenzen

der Kennwertbestimmung und –modellierung bei Kalt- und Warmumformung. In: MEFORM 98 Modellierung von Umformprozessen,

Freiberg, D, 1998]TmmmTmmmmTm

f eeTAek 83754291 )1(/


NM


Kemtau

extensive special experimental devices as state of the art at Nordmetall GmbH,

especially for high rate mechanical testing of materials

in depth knowledge of high dynamic material forming technology (forging, deep

drawing, shot peening) and machining operations (high speed cutting, grinding)

and life protection applications (armoured vehicles, life wests)

constitutive description of the mechanical behaviour of materials as a basis for

the application of finite element analysis

finite element simulations of high rate processes with accurate material models

is possible

development of new materials by either thermomechanical treatment or severe

plastic deformation (ECAP with word largest die)

close cooperation with companies and scientific associations including

company specific and secret tasks

Summary


NM


Kemtau

Thank you very much!

how to contact us:

Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Lothar W. Meyer

1. Managing Director

phone: +49 371 503490 21


Nordmetall GmbH

Hauptstraße 16

D-09221 Adorf , Gemeinde

Neukirchen

Germany

phone: +49 371 503490 0

fax: +49 371 503490 11

web: http://www.nordmetall.net


Dr.-Ing. Norman Herzig

2. Managing Director

phone: +49 371 503490 22


prof. emer. dr.-ing. dr. h.c. lothar w. meyer (früher ... · prof. emer. dr.-ing. dr. h.c. lothar...

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